JP5057634B2 - Fuel cell structure - Google Patents
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Description
本発明は一般に燃料電池等の発電機器に関し、特に、燃料電池、例えば、固体酸化物燃料電池の熱管理に関する。 The present invention relates generally to power generation equipment such as fuel cells, and more particularly to thermal management of fuel cells, such as solid oxide fuel cells.
燃料電池は、イオン電導層を介して燃料とオキシダント(酸化体)を電気化学的に組み合わせることにより電気を発生するエネルギー変換装置である。高温燃料電池束、例えば、固体酸化物燃料電池束は、通常、平面形状を有する平坦な個々の部材から構成される。平面燃料電池は逆流、交差流及び平行流という異なる種類で実現可能である。典型的な平面燃料電池は、電池から電池へと電流を供給し、立方体構造又はスタックの内部に気体流路を提供する3層陽極/電解質/陰極構成要素を具備する。 A fuel cell is an energy conversion device that generates electricity by electrochemically combining a fuel and an oxidant (oxidant) via an ion conductive layer. A high temperature fuel cell bundle, for example, a solid oxide fuel cell bundle, is usually composed of flat individual members having a planar shape. Planar fuel cells can be realized in different types: backflow, crossflow and parallel flow. A typical planar fuel cell comprises a three layer anode / electrolyte / cathode component that supplies current from cell to cell and provides a gas flow path within a cubic structure or stack.
固体酸化物燃料電池等の燃料電池は発電に関して効率が良く、汚染が少ないという潜在能力を持つことが実証されているが、温度管理に関連する問題、特に燃料電池構成要素の熱勾配を調整する場合の問題が残されている。燃料電池における動作温度を維持するためには、燃料とオキシダントの反応によって燃料電池で発生する熱エネルギーを除去するか、又は内部で使用することが必要である。燃料電池における冷却流路は、スタック温度を規定の限界以下に維持し且つ所定の熱勾配を維持するように廃熱を燃料電池からオキシダントへ伝達又は除去するのを助けるために、通常は空気等のオキシダントを使用する。燃料電池構体とオキシダント等の流体との温度差は、流体流路を通過して流れる流体と燃料電池構体で発生する熱流束との熱伝達特性として機能する。しかしながら、従来の燃料電池に適用するときに使用されるそのような流体流路の場合、流体流路とそこを流れる流体との間の対流熱伝達係数は低い。
従って、当該技術においては、改善された熱伝達特性を提供する改善された流体流路を有する燃料電池が必要である。 Accordingly, there is a need in the art for a fuel cell having an improved fluid flow path that provides improved heat transfer characteristics.
本発明の一実施例は、少なくとも1つの燃料電池を備える燃料電池構体を提供する。燃料電池は、陽極、陰極及びそれらの間に配置された電解質と、燃料電池に流体を送るために少なくとも1つの燃料電池の内部に配置された少なくとも1つの流体流路と、陽極、陰極又は電解質に接触する流れ分断器の少なくとも1つのアレイ(配列)を具備する。流れ分断器は、流体が流体流路に導入されると流体の流れを分断し且つ流体と燃料電池構体との間の熱伝達率を向上させるように流体流路の中へ突出する。
One embodiment of the present invention provides a fuel cell assembly comprising at least one fuel cell. A fuel cell includes an anode, a cathode and an electrolyte disposed therebetween, at least one fluid flow path disposed within at least one fuel cell for delivering fluid to the fuel cell, and an anode, cathode or electrolyte. contacting the comprising at least one array of flow disruptors (SEQ). The flow breaker protrudes into the fluid flow path so as to break the flow of the fluid and improve the heat transfer rate between the fluid and the fuel cell assembly when the fluid is introduced into the fluid flow path.
本発明の以上の特徴、面及び利点、並びにその他の特徴、面及び利点は、以下の説明、請求の範囲及び添付の図面を参照することにより更に良く理解されるであろう。 The foregoing features, aspects and advantages of the present invention, as well as other features, aspects and advantages will be better understood with reference to the following description, claims and appended drawings.
本発明は、典型的には、少なくとも1つの燃料電池50を備える燃料電池アレイ、燃料電池束又は燃料電池スタックを具備する燃料電池構体10、例えば、固体酸化物燃料電池(以下「SOFC」という)構体を提供する(図1を参照)。各燃料電池50は、直列又は並列に、あるいは直列及び並列に積層することができ、電気エネルギー出力を生成可能な燃料電池スタックシステム又は燃料電池スタック構造を構築する繰り返し燃料電池ユニット50である。
The present invention typically includes a
燃料電池50は、固体酸化物燃料電池、プロトン交換膜燃料電池、溶融炭酸塩燃料電池、リン酸燃料電池、アルカリ燃料電池、ダイレクトメタノール燃料電池、再生燃料電池、亜鉛空気燃料電池又はプロトニックセラミック燃料電池等の、流路を必要とするどのような種類の燃料電池であっても良い。
The
燃料電池50、例えば、固体酸化物燃料電池の一例を図1に示す。例えば、空気等のオキシダント38は陰極30に供給される。陰極30で発生した酸素イオン(O2-)は陽極20と陰極30との間に配置された電解質40を介して搬送される。例えば、天然ガス等の燃料34は陽極20に供給される。陽極20の側にある燃料34は、電解質40を通過して陽極20へ搬送されてきた酸素イオン(O2-)と反応する。酸素イオン(O2-)は脱イオンされて、外部電気回路(図示せず)に対して電子を放出する。従って、電子の流れは外部電気回路(図示せず)を介して直流電気を発生させる。その結果、この電気発生プロセスは一定の排気ガス及び廃熱を発生する。
An example of a
陽極20は、通常、燃料電池50に導入される燃料ガスの電気化学的酸化のための反応場所を提供する。従って、陽極20は燃料還元環境の中で安定していることが望ましく、適切な電子電導率を有することが望ましい。更に、陽極20は、燃料電池50の動作条件における燃料ガスの反応に対して触媒作用を促進することが望ましく、反応場所へのガス搬送を可能にする十分な多孔率を有することが望ましい。これらの特性を有する陽極20として適する材料は金属ニッケル、ニッケル合金、銀、銅、コバルト、ルテニウム、ニッケル−イットリア安定化ジルコニアサーメット(Ni−YSZサーメット)、銅−イットリア安定化ジルコニアサーメット(Cu−YSZサーメット)、Ni−酸化セリウムサーメット、セラミック又はそれらの組み合わせを含むが、それらには限定されない。
The
陰極30は、通常、オキシダントの電気化学的還元のための反応場所を提供する。従って、陰極30は酸化環境の中で安定していることが望ましく、十分な電子電導率を有することが望ましい。更に、陰極30は、燃料電池50の動作条件におけるオキシダント気体の反応に対して触媒作用を促進することが望ましく、反応場所までのガス搬送を可能にする十分な多孔率を有することが望ましい。以上のような特性を有する陰極30として適する材料は灰チタン石添加マンガン酸ランタン(LaMnO3)、ストロンチウム添加LaMnO4(SLM)、スズ添加酸化インジウム(In2O3)、ストロンチウム添加PrMnO3、LaFeO3-LaCoO3 RuO2-イットリア安定化ジルコニア(YSZ)、ランタン輝コバルト鉱及びそれらの組み合わせを含むが、これらには限定されない。
一般に、陽極20と陰極30は電気化学的反応を支援するのに十分な表面積を有する。陽極20及び陰極30に使用される材料は燃料電池構体10の典型的な最低動作温度と最高動作温度、例えば、約600℃から約1300℃の間で熱安定性を有する。
In general,
図1において燃料電池50の一例を示す分解等角図に示されるように、電解質40は、通常、陽極20と陰極30との間に配置される。電解質40は、陰極30と陽極20との間で酸素イオン(O2-)等のイオンを搬送する。これに加えて、電解質40は燃料電池50内で燃料34をオキシダント38から分離する。従って、電解質40は燃料還元環境と酸化環境の双方において安定していることが望ましく、反応気体を透過しないことが望ましい。更に、電解質40は、燃料電池50の動作条件において十分な電導率を有することが望ましい。以上のような特性を有する電解質40として適する材料は酸化ジルコニウム、イットリア安定化ジルコニア(YSZ)、不純物添加酸化セリウム、酸化セリウム(CeO2)、三二酸化ビスマス、パイロクロール酸化物、不純物添加ジルコン酸塩、酸化灰チタン石材料及びそれらの組み合わせを含むが、これらには限定されない。
As shown in an exploded isometric view showing an example of the
配線部24は、一般に、1つの繰り返し可能燃料電池ユニット50の陽極20を隣接する燃料電池ユニット50の陰極30に電気的に接続する(図1を参照)。更に、配線部24は均一な電流分布を示すべきであり、燃料ガス及びオキシダント気体を透過してはならない。配線部24は、燃料還元環境と酸化環境の双方で安定していることが望ましく、燃料電池50の多様な温度において電子流れを支援するために十分な電導率を有することが望ましい。以上のような特性を有する配線部24として適する材料はクロム系フェライトステンレス鋼、輝コバルト鉱、セラミック、クロム酸ランタン(LaCrO3)、重クロム酸コバルト(CoCr2O4)、Inconel(商標)600、Inconel(商標)601、Hastelloy(商標)X、Hastelloy(商標)−230、Ducrolloy(商標)、Kovar(商標)、Ebrite(商標)及びそれらの組み合わせを含むが、これらには限定されない。
The
図1を参照すると、固体酸化物燃料電池50等の燃料電池50は、陽極20と、陰極30と、それらの間に配置された電解質40とを具備する。少なくとも1つの流体流路95は、燃料電池50内に配置される。図1及び図2を参照すると、流れ分断器25の少なくとも1つのアレイは、陽極20、陰極30又は電解質40に連結する。図3に示す本発明の一実施例において、流れ分断器250、255は、電解質40から陽極20又は陰極30の表面を介して延出する。
Referring to FIG. 1, a
流体流路95は、通常、燃料電池50に配置される少なくとも1つのオキシダント流路28と少なくとも1つの流体流路36とを具備する(図1を参照)。他の実施例において、図4〜図6に示すように、流れ分断器25のアレイは流れ分断器32の第2のアレイを更に含む。流れ分断器25、32は、電解質40から陰極30又は陽極20に延出する。流れ分断器25、32は、一般に、個別のピン、トリップ断片及びバッフル乱流装置を具備するが、これらには限定されない。図1に示すように、これらの流れ分断器25、32は、オキシダント流路28又は燃料流路36の中へ突出し、例えばオキシダント流れ38、燃料流れ34、あるいはその両方の流体流れを分断する。図1に示される燃料電池50において、オキシダント流路28内部の典型的なオキシダント流れ38は、燃料流路36内部の燃料流れ34と同様に、臨界レイノルズ数よりも低いレイノルズ数特性を有する層流又は遷移流のいずれかである。図8に概略図の一例を示すように、流れ分断器25は、通常、各流れ分断器25の背後に非定常ウェーク27を生成する。非定常ウェーク27は、オキシダント流れ38等の流体流れと流れ分断器25との境界層の分離によって生成される。ここで使用される「非定常ウェーク」という用語は、図1に示すオキシダント流路28等の流体流路95を介して流体流路で生成される乱流を表す。オキシダント流路28等の流体流路95を介して流体流路で生成される乱流により、オキシダント流路28等の流体流路95を介して、オキシダント流れ38等の流体流れのヌセルト数が増加する。流体流路95を介して流体流れのヌセルト数が増加することにより、流体と燃料電池50との間の基線層流対流熱伝達特性を著しく超えて、対流熱伝達特性は改善される。熱伝達特性が向上することにより、熱をより効率良く且つより効果的に燃料電池50から除去する能力が向上する。燃料電池50とオキシダント38等の流体との温度差は、流体流路95を介して流れる流体の熱伝達特性として、また、図1の燃料電池50において発生する熱流束として機能する。このような熱伝達特性の向上により、複数の燃料電池50を具備する燃料電池構体10の冷却要求が改善される。また、燃料電池50の熱伝達特性の向上により、燃料電池50全体における所定の均一な熱勾配及び温度レベルの維持が保証される。燃料電池50を介して所定の均一な熱勾配を維持することにより、燃料電池構体10の異なる場所における潜在的な被加熱部の発生を避けることができる。図1の燃料電池構体10において、被加熱部は、燃料電池構体10の熱性能及び寿命を非常に悪化させる。従って、燃料電池構体10の熱伝達特性は、基線層流対流熱伝達特性を有する燃料電池構体と比較して、燃料電池構体10の熱性能及び寿命を著しく改善する。更に、基線層流対流熱伝達特性を有する燃料電池構体は、通常、図1に示されるオキシダント流路28を介したオキシダント流れ38等の流体流れがそれほど増加しない場合には、燃料電池構体10の付加的な冷却要求には対応しない。流れ分断器25、32は、オキシダント流路28を介して流れるオキシダント流れ38等の流体流れを増加させずに、燃料電池構体10の熱性能及び寿命を向上させる。
The
本発明の他の実施例によれば、流れ分断器25、32のアレイは、約0.020インチから約0.25インチの範囲の幅52を有する(図3及び図5を参照)。更なる実施例によれば、流れ分断器25、32は、流れ分断器25、32のアレイ全体にわたる均一の熱伝達特性を一般的に保証するほぼ一定の横断面面積を有する。前述の実施例によれば、流れ分断器25、32は、正方形、長方形、円、楕円、環又は変則的な形状の横断面形状を有するが、これらには限定されない。改善された構造安定性及び構造強度を図1に示す燃料電池50の層に提供するように、当業者は流れ分断器25、32の幅52、横断面形状及び横断面面積を自在に選択できるであろう。更に、流れ分断器25、32は、陽極20、陰極30又は電解質40の層を通過する電気化学的反応速度が向上するように、通常、陽極20、電解質40又は陰極30のインタフェースにおいて増加した表面積を提供する。
In accordance with another embodiment of the present invention, the array of
本発明の他の実施例によれば、図4〜図6に示すように、流れ分断器25、32のアレイは、通常、インライン構成、千鳥配列構成、均一間隔構成及び変則的な間隔の構成を含む。図4は、流れ分断器25、32のアレイのインライン構成の一例を示す。一実施例において、図5に示されるように、後続の流れ分断器25、32の間の距離51は変則的である。他の実施例において、後続の流れ分断器25、32の間の距離53は、不均一である。本発明の他の実施例において、図6は、流れ分断器25、32のアレイの千鳥配列構成を示す。流れ分断器25、32の構成及び間隔は、望ましい適用に基づいて変化してもよい。図9の一実施例は、アレイパターン251を有し、陽極20、陰極30又は電解質40の表面周辺部に均等に分布する流れ分断器25、32の構成を示す。図10における他の一実施例は、アレイパターン252を有し、陽極20、陰極30又は電解質40の表面にわたって不均等に広がる流れ分断器25、32の構成を示す。また、流れ分断器25、32の構成及び間隔は、図8において、非定常ウェーク27の相互作用又は再循環253の代表的領域を制御する。図8において流れ分断器の流れ特性の概略図の一例に示されるように、各流れ分断器25がオキシダント流れ38又は燃料流れ34にさらされる場合、これらの非定常ウェークは、各流れ分断器25からの流体の境界層分離によって発生する。非定常ウェーク27に対する相互作用又は再循環253の代表的領域の制御は、望ましい位置において、図1における燃料電池50の流体流路95の流体流路を介して、流体分布プロファイルを調整し、熱流体力学的な安定を維持する。従って、流れ分断器25、32の構成、間隔及び横断面形状は、通常、当業者によって、望ましい位置において、図1に示された燃料電池構体10の一例を介して熱勾配を調整するような方法で選択される。燃料電池構体10を介して望ましい位置で調整された熱勾配は、燃料電池構体10を介して望ましい熱ポテンシャルを維持することを保証する。
According to another embodiment of the invention, as shown in FIGS. 4-6, the array of
流れ分断器25、32は、燃料還元環境及び酸化環境の双方において安定していることが望ましく、オキシダント気体を透過しないことが望ましい。更に、流れ分断器は、燃料電池50を通過する熱流束に耐えることが望ましい。一実施例において、流れ分断器25、32は、セラミック材料を含む。他の実施例において、流れ分断器は、陽極20、陰極30又は電解質40としての材料を含む。以上のような特性を有する流れ分断器25、32として適する材料は、金属ニッケル、銀、銅、コバルト、ルテニウム、ニッケル−イットリア安定化ジルコニアサーメット(Ni−YSZサーメット)、銅−イットリア安定化ジルコニアサーメット(Cu−YSZサーメット)、Ni−酸化セリウムサーメット、灰チタン石添加マンガン酸ランタン(LaMnO3)、ストロンチウム添加LaMnO4(SLM)、スズ添加酸化インジウム(In2O3)、ストロンチウム添加PrMnO3、LaFeO3-LaCoO3 RuO2-イットリア安定化ジルコニア(YSZ)、ランタン輝コバルト鉱、酸化ジルコニア、イットリア安定化ジルコニア(YSZ)、不純物添加酸化セリウム、酸化セリウム(CeO2)、三二酸化ビスマス、パイロクロール酸化物、不純物添加ジルコン酸塩、酸化灰チタン石材料、過フッ化スルホン酸及び複合材料を含むが、これらには限定されない。しかしながら、流体流路95の中へ突出する流れ分断器25、32は、望ましくは、配線部24との電気機械的接触を回避し、燃料電池50を介して起こりうるいかなる電気的短絡も防止するべきである(図1を参照)。
The
本発明は、図1から図6において平面構造を示す一実施例の適用に関して述べているが、このような発明が、管状燃料電池を含むがそれには限定されない燃料電池の他の実施例において利用可能であることが理解されるであろう。例えば、図7は管状燃料電池用の流れ分断器25の構成の一例を示す。
Although the present invention has been described with respect to the application of one embodiment showing a planar structure in FIGS. 1-6, such invention is utilized in other embodiments of fuel cells, including but not limited to tubular fuel cells. It will be understood that this is possible. For example, FIG. 7 shows an example of the configuration of the
以上、複数の実施例によって本発明を説明した。しかしながら、本発明の範囲を逸脱せずに様々な変形及び変更を行なうことが可能であるため、本発明は上述の実施形態に制限することを必ずしも意図しない。また、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。 The present invention has been described with a plurality of embodiments. However, since various modifications and changes can be made without departing from the scope of the present invention, the present invention is not necessarily intended to be limited to the above-described embodiments. Further, the reference numerals described in the claims are for easy understanding, and do not limit the technical scope of the invention to the embodiments.
10…燃料電池構体、20…陽極、25…流れ分断器、30…陰極、40…電解質、50…燃料電池、95…流体流路
DESCRIPTION OF
Claims (10)
前記燃料電池(50)に流体を送るために前記少なくとも1つの燃料電池(50)の内部に配置された少なくとも1つの流体流路(95)と、
前記陽極(20)、前記陰極(30)又は前記電解質(40)に接触し、前記流体が前記流体流路(95)に導入されると前記流体の流れを分断し且つ前記流体と燃料電池構体(10)との間の熱伝達率を向上させるように前記流体流路(95)の中へ突出する流れ分断器(25)の少なくとも1つのアレイとを具備する燃料電池構体(10)であって、前記流れ分断器(25、32)が、前記陽極(20)、前記陰極(30)又は前記電解質(40)としての材料からなる、燃料電池構体(10)。 At least one fuel cell (50) comprising an anode (20), a cathode (30) and an electrolyte (40) disposed therebetween;
At least one fluid flow path (95) disposed within the at least one fuel cell (50) for delivering fluid to the fuel cell (50);
When the fluid comes into contact with the anode (20), the cathode (30) or the electrolyte (40) and the fluid is introduced into the fluid flow path (95), the fluid flows and the fluid and the fuel cell assembly are separated. (10) a fuel cell assembly (10) comprising at least one array of the fluid flow path to enhance the heat transfer rate of the flow disruptors which project into the (95) (25) between the met The fuel cell assembly (10), wherein the flow breaker (25, 32) is made of a material as the anode (20), the cathode (30) or the electrolyte (40) .
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